8.1. Γενικά για τα σάκχαρα

Transcript

1 Σ ά κ χ α ρ α

2 8.1. Γενικά για τα σάκχαρα Τα σάκχαρα είναι μία από τις βασικές ομάδες βιομορίων. Αποτελούν το μεγαλύτερο μέρος των οργανικών ουσιών στη Γη, ενώ είναι η πλέον σημαντική πηγή ενέργειας για τους ζωντανούς οργανισμούς. Τα σάκχαρα είναι χημικές ενώσεις του άνθρακα που περιέχουν υδρογόνο και οξυγόνο με αναλογία ατόμων 2:1, όση δηλαδή και το νερό και έχουν τον γενικό τύπο Για το κετόζες. Αποτελούνται από 3-6 άτομα C και ονομάζονται αντίστοιχα τριόζες, τετρόζες, πεντόζες, εξόζες. Στις τριόζες ανήκει η γλυκεριναλδεύδη και στις εξόζες ανήκουν η γλυκόζη, η φρουκτόζη και η γαλακτόζη που είναι τα πιο γνωστά μας σάκχαρα. Στους πίνακες. 8.1 και 8.2 φαίνονται οι χημικοί τύποι των μονοσακχαριτών, κετοζών και αλδοζών αντίστοιχα. Στα υδατικά τους διαλύματα τα σάκχαρα απαντώνται σε κυκλική μορφή. Αυτό οφείλεται σε μία εσωτερική αντίδραση και συγκεκριμένα σε μία αντίδραση προσθήκης ενός ατόμου Η από το 4 ή 5 άτομο C στον διπλό δεσμό του καρβονυλίου (1 ή 2 άτομο C), οπότε σχηματίζεται ημιακεταλικό υδροξύλιο και το μόριο παίρνει την κυκλική του μορφή. λόγο αυτό τα σάκχαρα ονομάζονται και υδατάνθρακες. Οι υδατάνθρακες ανάλογα με την ικανότητά τους να διασπώνται ή όχι σε άλλους υδατάνθρακες διακρίνονται αντίστοιχα α) σε διασπώμενα σάκχαρα και β) σε απλούς υδατάνθρακες ή απλά σάκχαρα ή μονοσαχαρίτες. Τα διασπώμενα σάκχαρα με την σειρά τους διακρίνονται σε ολιγοσακχαρίτες και πολυσακχαρίτες ανάλογα, με τον αριθμό των απλών σακχάρων από τα οποία αποτελούνται και τα οποία μπορούν να σχηματίσουν κατά τη διάσπαση τους Μονοσακχαρίτες Ονοματολογία, στερεοδομή και διαμόρφωση Από χημική άποψη οι μονοσακχαρίτες είναι ενώσεις που περιέχουν πολλές υδροξυλομάδες και μία καρβονυλομάδα. Ανάλογα αν η καρβονυλομάδα είναι αλδευδομάδα ή κετονομάδα διακρίνονται σε αλδόζες και Πίνακας 8.1 Χημικοί τύποι ίων κετοζών

3 Πίνακας 8.2 Χημικοί τύποι των αλδοζών 8.3. Γενικές αντιδράσεις μονοσακχαριτών και γλυκοζιτικός δεσμός Τα μονοσακχαρίτες διαλύονται εύκολα στο νερό και έχουν γλυκιά γεύση. Οι χημικές ιδιότητες των μονοσακχαριτών οφείλονται στις πολλές υδροξυλομάδες τις οποίες έχουν. Οι κυριότερες ιδιότητες των μονοσακχαριτών είναι: Αναγωγικός χαρακτήρας Οι μονοσακχαρίτες εμφανίζουν αναγωγική δράση, Αυτή η ιδιότητα των μονοσακχαριτών εκδηλώνεται με αντίδραση ακόμη και με ήπια οξειδωτικά μέσα, όπως είναι το αντιδραστήριο Fehling (διάλυμα σε και το αντιδραστήριο Tollen (διάλυμα Οι παραπάνω αντιδράσεις χρησιμεύουν στην ανίχνευση και στον προσδιορισμό των σακχάρων. Γλυκοζιτικός δεσμός Μεταξύ δύο σακχάρων είναι δυνατό να αποσπαστεί ένα μόριο νερού από δύο υδροξύλια διαφορετικών μορίων. Ο δεσμός που δημιουργείται λέγεται γλυκοζιτι- κός δεσμός. Οι σχηματιζόμενες ενώσεις ανήκουν σε μία κατηγορία ενώσεων που λέγονται γλυκοζίτες. Στην κατηγορία των γλυκοζιτών ανήκουν οι ολιγο- σακχαρίτες και οι πολυσακχαρίτες. Οι γλυκοζίτες διασπώνται με τη βοήθεια οξέων ή ενζύμων που ονομάζονται γλυκοζιτάσες Ολιγοσακχαρίτες και πολυσακχαρίτες Οι ολιγοσακχαρίτες και οι πολυσακχαρίτες αποτελούνται αντίστοιχα από μικρό ή μεγάλο αριθμό απλών σακχάρων, ενώ μπορούν να διασπασθούν σχηματίζοντας τα απλά σάκχαρα από τα οποία αποτελούνται. Οι κυριότεροι ολιγοσακχαρίτες είναι οι δισακχαρίτες. Δισακχαρίτες Οι δισακχαρίτες σχηματίζονται από δύο μόρια μονοσακχαριτών με ταυτόχρονη απόσπαση ενός μορίου νερού. Είναι δηλαδή ανυδριτικά παράγωγα των μονοσακχαριτών. Οι σημαντικότεροι δισακχαρίτες είναι οι ακόλουθοι:

4 Καλαμοσάκχαρο ή σακχαρόζη ή ζάχαρη. Το καλαμοσάκχαρο είναι ο πλέον διαδεδομένος δισακχαρίτης και προέρχεται από τη συνένωση ενός μορίου γλυκόζης και ενός μορίου φρουκτόζης. Μαλτόζη. Η μαλτόζη προέρχεται από την συνένωση δύο μορίων γλυκόζης και σχηματίζεται κατά την υδρόλυση του αμύλου ως ενδιάμεσο προϊόν. Γαλακτοσάκχαρο ή λακτόζη. Η λακτόζη είναι το κύριο σάκχαρο που συναντάται στο γάλα των θηλαστικών και προέρχεται από τη συνένοχη ενός μορίου γλυκόζης και ενός μορίου γαλακτόζης. Πολυσακχαρίτες Το μόριο των πολυσακχαριτών αποτελείται από μεγάλο αριθμό μορίων μονοσακχαριτών ενωμένα μεταξύ τους με γλυκοζιτικούς δεσμούς. Με την υδρόλυσή τους οι πολυσακχαρίτες σχηματίζουν κατ' αρχάς ολιγοσακχαρίτες και στη συνέχεια μονοσακχαρίτες. Οι σημαντικότεροι πολυσακχαρίτες είναι οι ακόλουθοι: Γλυκογόνο. Το γλυκογόνο αποτελεί την κύρια αποταμιευτική μορφή της γλυκόζης των ζωικών κυττάρων. Είναι ένα μεγάλο διακλαδισμένο πολυμερές, που αποτελείται από μόρια γλυκόζης ενωμένα με γλυκοζιτικούς δεσμούς (σχήμα 8.1). Άμυλο. Το άμυλο είναι ένας πολυσακχαρίτης που αποτελείται από επαναλαμβανόμενες μονάδες γλυκόζης. Είναι η κύρια εφεδρική ουσία των φυτών και εναποτίθεται σε μεγάλες ποσότητες στα σπέρματα (δημητριακά) και στους βολβούς (πατάτες). Εμφανίζεται με δύο μορφές, την αμυλόζη και την αμυλοπηκτίνη. Η αμυλόζη αποτελεί το 20%-30% του αμύλου και σχηματίζεται από μονάδες γλυκόζης ( ) γραμμικά διατεταγμένες, ενώ η αμυλοπηκτίνη αποτελεί το υπόλοιπο ποσοστό του αμύλου και εμφανίζει διακλαδώσεις ανά 25 περίπου μονάδες γλυκόζης. Η δομή του μορίου μοιάζει με εκείνη του γλυκογόνου. Το σημαντικότερο πεπτικό ένζυμο του αμύλου είναι η α-αμυλάση, που βρίσκεται στο σάλιο και στο λεπτό έντερο.

5 Ας σκεφθούμε Γιατί, όταν μασάμε ψωμί για αρκετή ώρα, αρχίζουμε να νιώθουμε γλυκιά γεύση, ενώ, όταν το μασάμε λίγο, δε συμβαίνει κάτι τέτοιο; Κυτταρίνη. Η κυτταρίνη είναι ένας πολυσακχαρίτης που αποτελείται από επαναλαμβανόμενες μονάδες γλυκόζης. Είναι δηλαδή ένας γλυκοζίτης με Μ.Β. περίπου Συναντάται στα φυτά και αποτελεί δομικό συστατικό. Τα ένζυμα που διασπούν την κυτταρίνη ονομάζονται κυτταρινάσες. Οι κυτταρινάσες είναι διαδεδομένες στους μικροοργανισμούς που αποτελούν την μικροχλωρίδα του στομάχου των μηρυκαστικών ενώ δεν απαντώνται στον άνθρωπο. Για το λόγο αυτό η κυτταρίνη πέπτεται από τα μηρυκαστικά, όχι όμως από τον άνθρωπο. Χρωστικες αντιδράσεις πολυσακχαριτών Το άμυλο χρωματίζεται κυανό με επίδραση διαλύματος σε ΚΙ. Η χρώση εξαφανίζεται με θέρμανση και επανέρχεται με ψύξη. Η κυτταρίνη χρωματίζεται καστανοκίτρινη με επίδραση διαλύματος ενώ με επίδραση διαλύματος σε και ΚΙ χρωματίζεται κυανή. Το γλυκογόνο χρωματίζεται ερυθρωπό με επίδραση διαλύματος 8.5. Ρόλος σακχάρων Τα σάκχαρα, σε όλους τους ζωντανούς οργανισμούς, επιτελούν την βασική λειτουργία της παραγωγής ενέργειας, καιόμενα προς και νερό. Στα κύτταρα η αντίδράση αυτή εκδηλώνεται κατά την κυτταρική αναπνοή με βραδύ ρυθμό, ώστε η απελευθέρωση της ενέργειας να είναι ελεγχόμενη. Η ενέργεια που απελευθερώνεται κατά την καύση 1g υδατάνθρακα είναι 4 Kcal. Οι υδατάνθρακες διαδραματίζουν ποικίλους ρόλους στον οργανισμό. Κατά πρώτον αποτελούν τα κυριότερα καύσιμα του οργανισμού. Το 50% περίπου των θερμίδων που λαμβάνει ο άνθρωπος προέρχεται από την καύση υδατανθράκων, ενώ ο σημαντικότερος ίσως υδατάνθρακας, η γλυκόζη, είναι η μοναδική πηγή ενέργειας του εγκεφάλου και του κεντρικού νευρικού συστήματος. Επιπλέον η γλυκόζη αλλά και άλλα σάκχαρα, όπως και ενδιάμεσα προϊόντα του μεταβολισμού τους, αποτελούν την πρώτη ύλη για τη βιοσύνθεση διάφορων βιομορίων μεγάλης βιολογικής σημασίας, όπως συνένζυμα, αμινοξέα, νουκλεϊνικά οξέα, λιπαρές ύλες κ.ά. Η παρουσία της γλυκόζης σε φυσιολογικά επίπεδα, μέσα και έξω από το κύτταρο, επηρεάζει σημαντικά όλες σχεδόν τις λειτουργίες του οργανισμού, συμβάλλοντας αποφασιστικά στη μεταφορά ουσιών, στην ρύθμιση της ωσμωτικής πίεσης κτλ. Εκτός από αυτούς, άλλοι υδατάνθρακες έχουν ειδικό ρόλο. Για παράδειγμα, η κυτταρίνη αν και δεν πέπτεται, αφού ο ανθρώπινος οργανισμός δε διαθέτει τα κατάλληλα ένζυμα για τη διάσπασή της (όπως συμβαίνει με τα μηρυκαστικά) έχει καθοριστικό ρόλο στη λειτουργία του παχέος εντέρου, καθόσον ενεργοποιεί τη διαδικασία αποβολής των κοπράνων. Η λακτόζη βοηθά στην απορρόφηση του ασβεστίου, ενώ, όπως και το άμυλο, υδρολύεται σχετικά αργά και έτσι παραμένει στο έντερο πολύ περισσότερο από άλλους υδατάνθρακες, βοηθώντας έτσι στην ανάπτυξη μικροοργανισμών οι οποίοι συνθέτουν χρήσιμα για τον άνθρωπο συστατικά, όπως π.χ. διάφορες βιταμίνες του συμπλέγματος Β. Η περίσσεια υδατανθράκων αποθηκεύεται κατά κύριο λόγο στο συκώτι και δευτερευόντως στους μυς με την μορφή γλυκογόνου. Η ικανότητα όμως αυτή του οργανισμού είναι περιορισμένη. Για το λόγο αυτό αν ο οργανισμός δε παραλάβει με την τροφή υδατάνθρακες για χρονικό διάστημα μεγαλύτερο από 6-7 ώρες, αρχίζει η διαδικασία παραγωγής γλυκόζης από άλλα θρεπτικά συστατικά όπως π.χ. από πρωτεΐνες. Τα προϊόντα μεταβολισμού όμως κάποιων αμινοξέων, όπως της λευκίνης, λυσίνης, ισολευκίνης, φαινυλαλανίνης και τυροσίνης, οδηγούν στο σχηματισμό κετονικών οξέων, όπως του ακετοξικού, τα οποία συσσωρεύονται στο αίμα προκαλώντας κετοναιμία ή οξοναιμία. Ελαφρά κετοναιμία λόγω περιορισμένης νηστείας δεν έχει ουσιαστική επίδραση στον οργανισμό, παρατεταμένη όμως νηστεία οδηγεί σε βαριάς μορφής κετοναιμία. Τέτοιες καταστάσεις μπορεί να οδηγήσουν ακόμη και στο θάνατο. Ας σκεφθούμε Σχήμα 8.1 Σχηματικό διάγραμμα του μορίου του γλυκογόνου (κατά Whelan). Οι κύκλοι αντιστοιχούν σε μόρια γλυκόζης. Μία φιάλη περιέχει 250 ml ενός αναψυκτικού με περιεκτικότητα σε ζάχαρη 20% κ.ο. Πόσα gr ζάχαρης λαμβάνουμε, αν πιούμε το αναψυκτικό αυτό, και σε πόσες θερμίδες αντιστοιχεί;

6 Γνωρίζεις ότι... Τρόφιμα πλούσια σε υδατάνθρακες Τρόφιμα πλούσια σε υδατάνθρακες είναι τα γλυκά, τα ζυμαρικά το ψωμί, τα αναψυκτικά στα οποία η περιεκτικότητα σε ζάχαρη είναι περίπου 20%. Στον πίνακα 8.3 φαίνεται η περιεκτικότητα διάφορων τροφίμων σε υδατάνθρακες. Πίνακας 8.3 Περιεκτικότητα μερικών τροφίμων σε υδατάνθρακες.

7 Τερηδόνα δοντιών και υδατάνθρακες Λ Όταν οι τροφές δεν αφαιρούνται με το βούρτσισμα ή το τρίψιμο, εμφανίζονται αποθέσεις πλάκας σε κρυμμένες θέσεις στα δόντια. 2)Το οξύ που παράγεται από τα βακτήριο αφαιρεί τα μεταλλικά στοιχεία από το σμάλτο των δοντιών και σχηματίζει κουφάλα. Η τερηδόνα είναι μία συνηθισμένη ασθένεια των δοντιών και είναι σε όλους γνωστό ότι οφείλεται στην κατανάλωση γλυκών και στην κακή υγιεινή του στόματος. Πώς προκαλείται όμως η τερηδόνα; Στην φυσιολογική χλωρίδα του στόματος περιλαμβάνονται και τα βακτήρια του τύπου Streptococcus mutans. Τα βακτήρια αυτά παράγουν ένα ένζυμο (δεξτρανοτρανσγλυκοζυλάση) το οποίο προκαλεί πολυμερισμό της γλυκόζης του καλαμοσακχάρου. 0 πολυσακχαρίτης που σχηματίζεται εναποτίθεται στα δόντια δημιουργώντας ένα περίβλημα που προστατεύει τα βακτήρια, από το σάλιο. Επιπλέον η φρουκτόζη του καλαμοσάκχαρου, που χρησιμεύει ως πηγή ενέργειας για τα βακτήρια αποικοδομείται σχηματίζοντας γαλακτικό οξύ, το οποίο προσβάλλει τις ουσίες αδαμαντίνη και οδοντίνη, προκαλώντας τις οδοντικές αλλοιώσεις της τερηδόνας. Ο εισβάλουν στην κουφάλα, επεκτείνεται και αποκαλύπτεται η οδοντίνη 3 Καθώς τα 4 Τέλος, τα βακτήρια φτάνουν στον πολφό στο κέντρο του δοντιού. Αν η κουφάλα δεν καθαριστεί και σφραγιστεί, η μόλυνση τελικά θα καταστρέψει το δόντι. Περίληψη Τα σάκχαρα είναι χημικές ενώσεις του άνθρακα που περιέχουν υδρογόνο και οξυγόνο σε αναλογία ατόμων 2:1, όση δηλαδή και στο νερό. Για τον λόγο αυτό ονομάζονται και υδατάνθρακες. Οι υδατάνθρακες διακρίνονται: α) σε διασπώμενα σάκχαρα και β) σε απλούς υδατάνθρακες ή απλά σάκχαρα ή μονοσακχαρίτες. Τα διασπώμενα σάκχαρα με τη σειρά τους διακρίνονται σε ολιγοσακχαρίτες και πολυσακχαρίτες. Από χημική άποψη οι μονοσακχαρίτες είναι ενώσεις που περιέχουν πολλές υδροξυλομάδες και μία καρβονυλομάδα, και διακρίνονται σε αλδόζες και κετόζες. Οι μονοσακχαρίτες διαλύονται εύκολα στο νερό και έχουν γλυκιά γεύση, ενώ εμφανίζουν αναγωγική δράση. Μεταξύ δύο μονοσακχαριτών είναι δυνατό να αποσπασθεί ένα μόριο νερού από δύο υδροξύλια διαφορετικών μορίων και να δημιουργηθεί γλυκοζιτικός δεσμός. Οι ολιγοσακχαρίτες και οι πολυσακχαρίτες αποτελούνται αντίστοιχα από μικρό ή μεγάλο αριθμό απλών σακχάρων, ενώ μπορούν να διασπασθούν σχηματίζοντας αυτά τα απλά σάκχαρα από τα οποία αποτελούνται. Από τους ολιγοσακχαρίτες σημαντικότεροι είναι οι δισακχαρίτες καλαμοσάκχαρο, μαλτόζη και γαλακτόζη. Το μόριο των πολυσακχαριτών αποτελείται από μεγάλο αριθμό μορίων μονοσακχαριτών, τα οποία είναι ενωμένα μεταξύ τους με γλυκοζιτικούς δεσμούς. Με την υδρόλυσή τους οι πολυσακχαρίτες σχηματίζουν κατ' αρχάς ολιγοσακχαρίτες και στη συνέχεια μονοσακχαρίτες. Οι σημαντικότεροι πολυσακχαρίτες είναι το γλυκογόνο, το άμυλο και η κυτταρίνη Τα σάκχαρα, σε όλους τους ζωντανούς οργανισμούς, κατά κύριο λόγο, χρησιμεύουν για την παραγωγή ενέργειας καιόμενα προς C02 και νερό και απελευθερώνοντας 4 Kcal/gr. Επίσης μπορεί να αποτελέσουν τη πρώτη ύλη για την βιοσύνθεση διάφορων βιομορίων μεγάλης βιολογικής σημασίας.

8 ερωτήσεις - ασκήσεις - προβλή ι. Από ποια στοιχεία αποτελούνται τα μόρια των σακχάρων και με ποια αναλογία; 2. Πώς ταξινομούνται τα σάκχαρα με βάση την ικανότητα υδρόλυσης τους; 3. Ποιες είναι οι βασικές χημικές ομάδες που έχουν τα σάκχαρα και πώς κατατάσσονται με βάση τις ομάδες αυτές; 4. Σε ποια μορφή βρίσκονται οι μονοσακχαρίτες σε υδατικό διάλυμα; Πού οφείλεται αυτό; 5. Ποιες χημικές ιδιότητες των σακχάρων γνωρίζετε; 6. Πώς ανιχνεύεται ο αναγωγικός χαρακτήρας των σακχάρων; 7. Τι είναι οι γλυκοζίτες, ο γλυκοζιτικός δεσμός και οι γλυκοζιτάσες; 8. Ποιοι είναι οι σπουδαιότεροι δισακχαρίτες και από ποια απλά σάκχαρα αποτελούνται; 9. Ποιοι είναι οι σπουδαιότεροι πολυσακχαρίτες και από ποία απλά σάκχαρα αποτελούνται; 10. Σημειώστε την σωστή ή τις σωστές προτάσεις. α. Το γλυκογόνο απαντάται σε ζωικά κύτταρα και το άμυλο σε φυτικά. β Το γλυκογόνο απαντάται σε φυτικά κύτταρα και το άμυλο σε ζωικά. Υ Και τα δύο απαντώνται μόνο σε ζωικά κύτταρα. δ. Και τα δύο απαντώνται μόνο σε φυτικά κύτταρα. ε. Το γλυκογόνο είναι ένα διακλαδισμένο πολυμερές ενώ το άμυλο όχι. στ. Το άμυλο είναι ένα διακλαδισμένο πολυμερές ενώ το γλυκογόνο όχι. ζ Και τα δύο είναι διακλαδισμένα πολυμερή. η Και τα δύο είναι ευθύγραμμα πολυμερή. II. Τι είναι η αμυλόζη, η αμυλοπηκτίνη και η αμυλάση; 12. Χαρακτηρίστε τις παρακάτω προτάσεις ως σωστές (Σ) ή λανθασμένες (Λ). α. Η κυτταρίνη είναι φυτικός πολυσακχαρίτης. β Η κυτταρίνη είναι ζωικός πολυσακχαρίτης. Υ Η κυτταρίνη μπορεί να είναι φυτικός ή και ζωικός πολυσακχαρίτης. δ. Η κυτταρίνη αποτελείται από μόρια γλυκόζης. ε. Η κυτταρίνη πέπτεται μόνο από τον άνθρωπο όχι όμως από μηρυκαστικά. στ. Η κυτταρίνη πέπτεται μόνο από τα μηρυκαστικά όχι όμως από τον άνθρωπο ζ Η κυτταρίνη πέπτεται και από τα μηρυκαστικά και από τον άνθρωπο 1 Η κυτταρίνη δεν πέπτεται ούτε από τα μηρυκαστικά ούτε από τον άνθρωπο. 13. Τι είναι οι κυτταρινάσες και πού συναντώνται; 14. Ποιος ο βασικός ρόλος των σακχάρων σε ένα ζωντανό οργανισμό; 15. Τι γνωρίζετε για το ρόλο της γλυκόζης στον ανθρώπινο οργανισμό; 16. Τι γνωρίζετε για τον ειδικό ρόλο α) της λακτόζης β) της κυτταρίνης στον οργανισμό; 17. Πού αποθηκεύεται η περίσσεια υδατανθράκων στον ανθρώπινο οργανισμό και με ποια μορφή; Πόσο επαρκής για τις ανάγκες του οργανισμού μπορεί να είναι η αποθήκευση αυτή; Τι θα συμβεί στον οργανισμό αν για χρονικό διάστημα 10 και περισσοτέρων ωρών δε ληφθούν υδατάνθρακες με την τροφή; Ας ερευνήσουμε I. Καταρτίστε ένα ενημερωτικό φυλλάδιο για τους συμμαθητές σας στο οποίο να παρουσιάζονται α. τρόφιμα που είναι πλούσια σε κυτταρίνη και β. ο ρόλος της κυτταρίνης και γενικότερα των φυτικών ινών στη διατροφή και την υγεία του ανθρώπου. 2. Το μέλι είναι ένα θρεπτικότατο προϊόν που παράγεται από τις μέλισσες. Καταρτίστε ένα ενημερωτικό φυλλάδιο για τους συμμαθητές σας στο οποίο να παρουσιάζονται η χημική σύσταση, τα είδη, οι χρήσεις και η θρεπτική αξία του μελιού.